无线系列 - MIMO波束赋形技术研究

前言：

在MIMO系统中，波束赋形技术通过调整每个天线阵元上的信号进行加权求和，使天线波束指向某个特定的方向，即将天线能量集中指向某个特定的用户。

1.波束赋形分类

根据波束赋形发生位置的不同，波束赋形技术分为模拟波束赋形(Analog

Beamforming, ABF)技术和数字波束赋形(Digital Beamforming, DBF)技术。

在数字基带之前即时域范围内形成波束，称作数字波束赋形;

在模拟基带之前即频域范围内形成波束，称作模拟波束赋形。

 

数字波束赋形结构中，每根天线对应的一条射频(RF)链路，产生波束时多条RF链路共同参与，因此可以实现多个数据流共同传输。数字波束赋形使用复杂的硬件结构，可以灵活的调整相位和幅度，产生准确的波束。对于天线数量众多时，导致整个结构的硬件实现非常复杂，成本很高。、

 

模拟波束赋形技术使用成本比较低的模拟移相器，只能调整相位而不能调整幅度,产生波束不一定准确。模拟波束赋形，具有简单的硬件结构，实现成本低，没有多条RF链路，只能传输单数据流。

 

2.阵列天线

阵列天线实现功能是对多列电磁波进行叠加，不同天线位置会产生不同的电磁波辐射，因此，波束赋形技术与天线位置和摆放有密切关系。

 

阵列天线包括线阵天线和面阵天线两种。

 

 

线阵天线是指所有天线阵元分布在一条直线上，或者所有天线阵元分布在一个圆周上，阵元与阵元的间隔可以是等距的或不等距的;

 

面阵天线是指所有天线阵元以某个点为中心分布在一个矩形面上，或者所有天线阵元分布在一个圆面上，同样，阵元与阵元的间隔可以是等距的或不等距的。

 

对于F大线数量较多的情况，天线阵列可能会扩展到三维空间，也是未米人线架构设计的一个方向。

 

3.混合波束赋形

数字波束赋形可以产生精确的波束，但是每根天线映射一条RF链路，从硬件实现和成本考虑，该技术适用于天线数量较少的系统。

 

对于天线数量较多的系统，可以使用实现成本较低的模拟波束赋形，可能导致波束不准确，增益效果不是很好。

因此，对于大规模MIMO系统，结合两者优点，提出了一种混合波束赋形技术,希望在满足硬件条件下，使其增益尽可能达到全数字波束赋形的效果。

 

在较小的面积内拥有大量天线单元使实现高波束成形增益变得切实可行。具有高度方向性的波束有助于抵消较高工作频率下增加的路径损耗，因为波束将功率控制在特定方向上。

图-混合波束成形阵列架构

 

混合波束成形是一种在数字和 RF 域之间划分波束成形的技术，以降低与 RF 信号链数量相关的成本。混合波束成形将多个阵列单元组合成子阵列模块，并有一个 T/R 模块专用于阵列中的子阵列。

 

5.总结

Simulink和Matlab联合仿真，能够设计并且仿真单个天线，天线阵列，MIMO波束成型系统。对于雷达、5G等方向，有着重要意义。当然，工具不仅仅只有这一个，ADS也能设计从射频波束混合系统，到天线阵列的仿真。

 

参考文献：

[1]使用Matlab进行5G开发

 

白浪介绍：

（1）一位自媒体极客，面向射频、微波、天线、无线通信、智能硬件、软件编程、渗透安全、人工智能、区块链，Java、Android、C/C++、python等方向的综合能力培养提升。

（2）各种学习资料、学习软件分享（仅供学生学习）。

1.扫码关注公众号（Geekxiaobai）

                         

2. 如在后台发送“Python高级编程”“CST”或“HFSS” 或“Altium”等，即可免费获得学习资源。仅供学习之用。

3. 扫码关注后，查看往期内容，会有更多资料惊喜等着你来拿哦      

  想要更多相关学习资料，可以在文章后面留言哦，后期将会根据留言需求免费分享学习资料哦。

========******=========******========******=========******==========